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Interview mit

Michael Shamiyeh

System- und Flugzeugtechnologien

LÄRMEMISSIONEN KÖNNTE EINE BEDEUTENDE ROLLE ALS DESIGNTREIBER IM ENTWURFSPROZESS VON EVTOLS ZUFALLEN.
Michael Shamiyeh

Michael Shamiyeh ist seit September 2015 am Bauhaus Luftfahrt tätig. Der 31-jährige Luft- und Raumfahrtingenieur ist Mitarbeiter im Forschungsschwerpunkt „System- und Flugzeugtechnologien“ sowie Experte auf dem Gebiet des Flugzeugentwurfes und der Antriebsintegration.

Woran forschen Sie gerade, Herr Shamiyeh?

Ich untersuche die Eigenschaften und Designmöglichkeiten von eVTOLs, also elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenen senkrechtstartenden Luftfahrzeugen, meist ausgelegt für ein bis fünf Passagiere. Durch die elektrische Verteilung von Energie eröffnen sich zahlreiche neue Möglichkeiten zur Antriebsintegration und damit eine Vielzahl an grundlegend verschiedenen Flugzeugtypen. Neben einfachen Multicoptern sind unter anderem Kipp-Flügel- beziehungsweise Kipp-Rotor-Flugzeuge oder sogenannte Lift+Cruise-Konfigurationen mit zwei separaten Antriebssträngen für Start und Reiseflug denkbar. Die meisten Konzepte für die Umsetzung von Senkrechtstartfähigkeit wurden in der Vergangenheit bereits prototypisch realisiert und getestet. Aufgrund der komplexen mechanischen Konstruktion oder dem schieren Gewichtsnachteil konnten sie sich jedoch nicht durchsetzen. Durch das niedrige Leistungsgewicht, die hohe Effizienz und die gute Skalierbarkeit der elektrischen Komponenten hat sich an dieser Stelle die Ausgangslage stark verändert, sodass die Konzepte neu bewertet werden müssen. Zusätzlich erhofft man sich durch verteilte elektrische Antriebe eine starke Reduktion des Wartungsaufwandes und geringere Lärmemissionen während des Fluges. Dies erweitert das Anwendungsspektrum der klassischen Senkrechtstarter – den Helikoptern – potenziell stark. Um die richtigen Einsatzfelder für die verschiedenen Flugzeugtypen zu finden, müssen nun grundlegende Leistungscharakteristiken und Energieeffizienzen ermittelt, aber auch Betriebs- und Wartungskosten oder Lärmemissionen quantifiziert werden. Letzteren könnte außerdem eine bedeutende Rolle als Designtreiber im Entwurfsprozess zufallen.

Welche Relevanz hat Ihre Arbeit für die Zukunft der Luftfahrt?

Durch die attraktiven Eigenschaften der eVTOLs eröffnen sich potenziell neue Märkte für die Luftfahrt mit neuen, größtenteils noch zu definierenden Randbedingungen. Das wohl populärste Beispiel hierfür ist das aktuell viel diskutierte Thema Urban Air Mobility. An der Vision, das Umland im großen Stil schnell und zuverlässig durch die Luft an die Städte anzubinden, arbeiten aktuell unzählige Unternehmen und Start-ups weltweit. Ob beziehungsweise wann und wie ein solches Transportsystem sinnvoll und nachhaltig Realität werden kann, ist noch offen. So muss etwa über eine Ausgestaltung eines Stationsnetzwerkes, den Aufbau einer geeigneten Infrastruktur, realistische Geschäftsszenarien oder Betreibermodelle nachgedacht werden. Um an diesen Stellen richtige Entscheidungen zu treffen, ist es wichtig zu wissen, was technisch umsetzbar und am Ende auch zertifizierbar ist.

Welche Methoden beziehungsweise Werkzeuge wenden Sie an?

Für die Auslegung und Leistungsrechnung kommt ein Mix von Vorentwurfsmethoden für Helikopter und konventionelle Flächenflugzeuge zum Einsatz. Mit dabei ist eine Blattelementmethode für Rotoren und Propeller sowie ein erweitertes Traglinienverfahren für Flügel und Leitwerke. Hinzu kommen zahlreiche empirische Abschätzungen und aus bestehenden Daten abgeleitete Heuristiken zur Massenabschätzung. Ein größeres Modul ist für die Auslegung der Antriebsstränge verantwortlich. Um Lärmemissionen der Rotoren abschätzen zu können, ist außerdem ein umfangreiches Aeroakustikpaket implementiert. Der überwiegende Teil der Methoden wurde intern in Java entwickelt und lässt sich so flexibel zur Abbildung von neuen Designaspekten erweitern.

Was sind die Ergebnisse Ihrer Arbeit?

Bei der Auslegung der sogenannten Lufttaxis ist der Kompromiss von hoher Energieeffizienz im Schwebeflug und effizientem Reiseflug kritisch. Durch die verhältnismäßig kurzen Missionsreichweiten fällt den Schwebeflugphasen und einem eventuell steilen Steigflug aus der Stadt hinaus große Bedeutung zu. Je nach zugrunde liegender Designmission fällt die Entscheidung zugunsten des einen oder anderen Konfigurationstyps aus. Dies legt längerfristig einen Flottenmix aus Multicoptern und Starrflügelkonzepten nahe.

Die im Moment veröffentlichten Leistungsangaben zu den verschiedenen vollelektrisch angetriebenen Lufttaxis sind wohl deutlich zu optimistisch. Unter Berücksichtigung von nötigen Reserven, realistischen Flugprofilen und sinnvollen Betriebsannahmen müssen noch immense Fortschritte im Bereich von Energiespeicher- beziehungsweise Batterietechnologien realisiert werden, um diese Vorgaben zu erfüllen. Bis dahin könnten hybridelektrische Antriebssysteme für längere Missionen eingesetzt werden.

Inwiefern bietet das Bauhaus Luftfahrt das beste Umfeld für Ihre Forschungen?

Wie bereits angedeutet, sind die Fragestellungen um das Thema Urban Air Mobility vielschichtig; eine Betrachtung aus verschiedenen Blickwinkeln ist notwendig, um konsistente Szenarien zu entwickeln und die richtigen Schlüsse zu ziehen. So können etwa eVTOL-Konfigurationen zwar isoliert entworfen und bewertet werden, wesentlich aussagekräftiger ist jedoch deren Leistungsfähigkeit innerhalb eines repräsentativen Gesamttransportsystems. Die interdisziplinäre Arbeitsweise und das fachlich breit aufgestellte Kollegium am Bauhaus Luftfahrt ermöglichen ebendiese gesamtheitliche Betrachtung. Bei unseren Studien, Diskussionen und der täglichen Arbeit profitieren wir sehr von der Vielseitigkeit unseres Teams. Außerdem liefert der enge Austausch mit unseren Partnern aus der Industrie wertvolle Erkenntnisse, die wir direkt in unsere Arbeit einfließen lassen.